超声波流量计的特点和应用

陈 聪

(中国石化集团上海工程有限公司 ，上海 200120）

1 引言

近年来，超声波流量计新品种大量涌现，在石化、医药、环保等领域中的应用日趋广泛，成为新型流量计的主要品种之一。由于它以非接触式方式进行流量测量，所以使强腐蚀、放射性、堵塞、粘性、要求压损小的、不允许泄露的介质、有气泡、含颗粒等工况有了有效的解决方法。对于夹持式超声波流量计，由于管道尺寸与价格无关，特别在大管道大流量测量上广泛应用。

2 超声波流量计的原理和测量方法

2.1 测量原理和组成

超声波流量计是基于超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，如顺流和逆流的传播速度由于叠加了流体流速而不相同。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

2.2 测量方法

根据检测的方式，可分为传播速度差法（时间差法，频率差法，相位差法）、 多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。

由于直接时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。

多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。

波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大。

噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。

相关法是近年来的一种新方法。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但价格贵，线路比较复杂。

以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质，流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于生产中工况的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。

随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。下表列出了超声波流量计测量方法特点应用之间的比较。

表 超声波流量计测量方法特点应用比较

3 超声波流量计的特点

超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。

3.1 节能

使用超声波流量计夹装在测量管道的外表面，不需要在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，没有压力损失，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

3.2 适于难测介质及大管道测量

检测件内无阻碍物，无可动零部件，不干扰流场，不会堵塞，多普勒法多适于测量脏污流、混相流等困难的被测介质。由于是非接触式仪表，可以不受流体的压力、温度、粘度和密度的影响，除用于测量水，石油等一般介质外，还能对强腐蚀、非导电、易爆和放射性的介质进行测量。

仪表原理上是不受管道尺寸限制，特别适用于大管道大流量测量。其他流量计随着口径的增加，造价增加，而超声波造价与管道尺寸无关，口径越大优势越明显。最大口径可达2米左右。正由于夹持式超声波流量计与管道尺寸无关，还可作临时测量应用。它对管道尺寸的改变，或者流量测量范围的改变，有很好的适应能力。

3.3 维修方便

检测件维修更换方便，不需要断流进行（内装式除外）。

3.4 存在的缺点

超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500 m/s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级.若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

传播时间法只能用于清洁的液体和气体。而多普勒法的测量精度不高，只能用于测量含有定量悬浮颗粒和气泡的液体。

4 超声波流量计的选型应用

超声波流量计的选型是一项比较复杂的工作，设计换能器类型，声道设置方式，转换器及其附件的选用，现场安装设计及配套器材的准备等。

4.1 选型原则

正确的选型是超声波流量计正常工作的基础。

传播速度差法多用于洁净的被测介质，精度要求高的场合。在自来水公司和工业用水领域有广泛的应用。是超声波流量计目前应用范围最广泛的一种测量方法。也可用于测量杂质含量不高的均质流体，而且精度可达±1.5%。

多普勒法准确度较低，适用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的液体，如：未处理的污水，杂质含量稳定的工厂过程液，工厂排放液等。对被测介质的要求比较苛刻，不同厂家的仪表性能不同，对被测介质的要求也不同。

4.2 安装要求

合理的安装可以保证超声波流量计的稳定运行。

在安装时选择流体流场分布均匀的部分，还要保证足够的直管段长度要求，以便形成稳定的速度分布。一般要求上游直管段长度为5D～10D（D为管道直径，下同），下游直管段长度为3D～5D。如果直管段长度达不到要求，会造成测量准确度的降低。要尽量远离泵和阀门，泵应该距离测量管段上游50D，阀门应该距离测量管段上游30D。

安装时要选用正确的安装方式。换能器探头安装在倾斜和水平管道上时，应该选用水平位置安装，即一般应该使换能器探头与水平面成45度角的范围内。由于管道中的气泡和杂质会反射或者衰减超声波信号，给测量带来较大的误差，采用水平位置安装的方式，就可以使被测流体中的气泡聚集在管道的上方，大的杂质沿着管道的底部流动，安装的部位保证一定的背压，从而使管道内充满流体，没有气泡或者气泡较少。从而对超声波在流体中传播的影响减少到最小程度，达到测量准确度最大化。

4.3 准确的工艺管道参数

准确的工艺管道参数是得到准确测量结果的基础。在工艺管线上，特别是旧管线上安装使用超声波流量计时，一定要得到准确的工艺管道参数，如管道的外径、壁厚、材质、衬里等等。对于比较脏污的管线，还要把结垢考虑为衬里，以便得到更为准确的测量结果。

4.4 其他影响因素

要选择均匀密致的管道材质，适于超声波传播的直管段。选择震动小，方便安装和维护的位置。安装换能器探头部位要去漆，除锈，砂平。选用合适的耦合剂，并在安装时均匀涂抹在探头安装部位。选择准确的流体类型和仪表类型，准确测量换能器探头的安装距离。选择配套的探头类型，保证换能器探头部位的温度在可工作的范围内。

5 超声波流量计使用中的维护和检修

在实际使用中，由于换能器探头部位的管线震动、温度变化，管道内结垢情况的变化，以及超声波流量计电路工作点的漂移等因素，可能造成测量不准确，因此需要定期对超声波流量计进行检查和维护。

日常检查和维护工作有：信号强度和信号良度的检查，传输时间和传输时差的检查，电流模拟输出的检查，定期标定和校正，管道的壁厚变化等。

6 结束语

超声波流量计是目前在工程设计应用中呈上升趋势的一种流量计，在流量测量方面发挥着重要的作用。了解并把握超声波流量计的原理性能特点，注意选型、安装、使用和维护，就可以达到准确测量的目的。

[1] 陆德民，张振基，黄步余，等. 石油化工自动控制设计手册（第三版）[M]. 北京：化学工业出版社，2000.

[2] 王家帧，王俊杰 编著. 传感器与变送器[M]. 北京：清华大学出版社，1998.